生物芯片技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

1、LOGO題題目：生物芯片技目：生物芯片技術(shù)術(shù)的的研研究究現(xiàn)狀現(xiàn)狀及及發(fā)發(fā)展前景展前景n院系院系專業(yè)專業(yè)：生命科：生命科學(xué)學(xué)院生物工程院生物工程n學(xué)學(xué)生：生：n學(xué)號學(xué)號：LOGO生物芯片技術(shù)的概念及類型生物芯片技術(shù)的概念及類型u 生物芯片技術(shù)的概念生物芯片技術(shù)的概念 生物芯片，又稱生物芯片，又稱DNA芯片或基因芯片，它們是芯片或基因芯片，它們是DNA雜交探針技術(shù)與半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)相結(jié)合的結(jié)晶。生物雜交探針技術(shù)與半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)相結(jié)合的結(jié)晶。生物芯片（芯片（biochip或或bioarray）是根據(jù)生物分子間特異相互）是根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實(shí)現(xiàn)作用的原理

2、，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實(shí)現(xiàn)對對DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測。狹義的生物芯片概念是指通過不同方法將生物快速檢測。狹義的生物芯片概念是指通過不同方法將生物分子（寡核苷酸、分子（寡核苷酸、cDNA、genomic DNA、多肽、抗體、多肽、抗體、抗原等）固著于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、抗原等）固著于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝膠、尼龍膜等固相遞質(zhì)上形成的生物分子點(diǎn)陣。因此生凝膠、尼龍膜等固相遞質(zhì)上形成的生物分子點(diǎn)陣。因此生物芯片技術(shù)又稱微陳列（物芯片技術(shù)又稱微陳列（microarray）技術(shù)，含有大量

3、）技術(shù)，含有大量生物信息的固相基質(zhì)稱為微陣列，又稱生物芯片。生物芯生物信息的固相基質(zhì)稱為微陣列，又稱生物芯片。生物芯片在此類芯片的基礎(chǔ)上又發(fā)展出微流體芯片（片在此類芯片的基礎(chǔ)上又發(fā)展出微流體芯片（microfluidics chip），亦稱微電子芯片（），亦稱微電子芯片（microelectronic chip），也就是縮微實(shí)驗(yàn)室芯片該技），也就是縮微實(shí)驗(yàn)室芯片該技LOGO生物芯片技術(shù)的概念及類型生物芯片技術(shù)的概念及類型術(shù)是指將大量探針分子固定于支持物上后與帶熒光標(biāo)記的術(shù)是指將大量探針分子固定于支持物上后與帶熒光標(biāo)記的DNA樣品分子進(jìn)行雜交，通過檢測每個探針分子的雜交信號樣品分子進(jìn)行雜交，通過

4、檢測每個探針分子的雜交信號強(qiáng)度進(jìn)而獲取樣品分子的數(shù)量和序列信息。廣義的生物芯片強(qiáng)度進(jìn)而獲取樣品分子的數(shù)量和序列信息。廣義的生物芯片指一切采用生物技術(shù)制備或應(yīng)用于生物技術(shù)的微處理器。包括指一切采用生物技術(shù)制備或應(yīng)用于生物技術(shù)的微處理器。包括用于研制生物計(jì)算機(jī)的生物芯片，將健康細(xì)胞與電子集成電路用于研制生物計(jì)算機(jī)的生物芯片，將健康細(xì)胞與電子集成電路結(jié)合起來的仿生芯片，縮微化的實(shí)驗(yàn)室即芯片實(shí)驗(yàn)室以及利用結(jié)合起來的仿生芯片，縮微化的實(shí)驗(yàn)室即芯片實(shí)驗(yàn)室以及利用生物分子相互間的特異識別作用進(jìn)行生物信號處理的基因芯片生物分子相互間的特異識別作用進(jìn)行生物信號處理的基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片等。狹

5、義的生物芯片就是、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片等。狹義的生物芯片就是微陣列，包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片等微陣列，包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片等。LOGO生物芯片技術(shù)的的概念及分類生物芯片技術(shù)的的概念及分類 u 生物芯片技術(shù)的分類生物芯片技術(shù)的分類 根據(jù)作用方式可分為：主動式芯片、被動式根據(jù)作用方式可分為：主動式芯片、被動式芯片；根據(jù)用途可分為：生物電子芯片、生物分析芯片；芯片；根據(jù)用途可分為：生物電子芯片、生物分析芯片；根據(jù)固定在載體上的物質(zhì)成分可分為：基因芯片根據(jù)固定在載體上的物質(zhì)成分可分為：基因芯片(gene (gene chip)chip)、蛋白質(zhì)芯片

6、、蛋白質(zhì)芯片(protein chip(protein chip或或protein microarray)protein microarray)、細(xì)胞芯片、細(xì)胞芯片(cell chip)(cell chip)、組織芯片、組織芯片(tissue chip)(tissue chip)、芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室(Lab on chip)(Lab on chip)。 根據(jù)作用方式分類：根據(jù)作用方式分類： (1) (1)主動式芯片：是指把生物實(shí)驗(yàn)中的樣本主動式芯片：是指把生物實(shí)驗(yàn)中的樣本處理純化、反應(yīng)標(biāo)記及檢測等多個實(shí)驗(yàn)步驟集成，通過一處理純化、反應(yīng)標(biāo)記及檢測等多個實(shí)驗(yàn)步驟集成，通過一步反應(yīng)就可主動完成。

7、其特點(diǎn)是快速、操作簡單，因此有步反應(yīng)就可主動完成。其特點(diǎn)是快速、操作簡單，因此有人又將它稱為功能生物芯片。主要包括微流體芯片人又將它稱為功能生物芯片。主要包括微流體芯片(microftuidic chip)(microftuidic chip)和縮微芯片實(shí)驗(yàn)室和縮微芯片實(shí)驗(yàn)室(labchip(labchip，也叫，也叫“芯片實(shí)驗(yàn)室芯片實(shí)驗(yàn)室”，是生物芯片技術(shù)的高境界，是生物芯片技術(shù)的高境界) )。 (2) (2)被動式芯片：即各種微陣列芯片，是指被動式芯片：即各種微陣列芯片，是指把生物實(shí)驗(yàn)中的多個實(shí)驗(yàn)集成，但操作步驟不變。其特點(diǎn)把生物實(shí)驗(yàn)中的多個實(shí)驗(yàn)集成，但操作步驟不變。其特點(diǎn)是高度的并行性，

8、目前的大部分芯片屬于此類。由于這類是高度的并行性，目前的大部分芯片屬于此類。由于這類芯片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過生物信芯片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過生物信息學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，因此這類芯片又稱為信息生物芯息學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，因此這類芯片又稱為信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片。片。包括基因芯片、蛋白芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片。 LOGO生物芯片技術(shù)的概念及分類生物芯片技術(shù)的概念及分類 根據(jù)用途分類：根據(jù)用途分類： (1)(1)生物電子芯片：用于生物計(jì)算機(jī)等生物電子產(chǎn)生物電子芯片：用于生物計(jì)算機(jī)等生物電子產(chǎn)品的制造。品的制造。 (2) (2)生

9、物分析芯片：用于各種生物大分子、細(xì)胞、生物分析芯片：用于各種生物大分子、細(xì)胞、組織的操作以及生物化學(xué)反應(yīng)的檢測。前一類目前在技術(shù)組織的操作以及生物化學(xué)反應(yīng)的檢測。前一類目前在技術(shù)和應(yīng)用上很不成熟，一般情況下所指的生物芯片主要為生和應(yīng)用上很不成熟，一般情況下所指的生物芯片主要為生物分析芯片。物分析芯片。LOGO生物芯片技術(shù)的概念及分類生物芯片技術(shù)的概念及分類 根據(jù)固定在載體上的物質(zhì)成分分類：根據(jù)固定在載體上的物質(zhì)成分分類： (1) (1)基因芯片基因芯片(gene chip)(gene chip)：又稱：又稱DNADNA芯片芯片(DNA (DNA chip)chip)或或DNADNA微陣列微陣列

10、(DNA microarray)(DNA microarray)，是將，是將cDNAcDNA或寡核苷或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制成。酸按微陣列方式固定在微型載體上制成。 (2) (2)蛋白質(zhì)芯片蛋白質(zhì)芯片(protein chip(protein chip或或protein protein microarray)microarray)：是將蛋白質(zhì)或抗原等一些非核酸生命物質(zhì)按：是將蛋白質(zhì)或抗原等一些非核酸生命物質(zhì)按微陣列方式固定在微型載體上獲得。微陣列方式固定在微型載體上獲得。 (3) (3)細(xì)胞芯片細(xì)胞芯片(cell chip)(cell chip)：是將細(xì)胞按照特定的方：是將細(xì)胞

11、按照特定的方式固定在載體上，用來檢測細(xì)胞間相互影響或相互作用。式固定在載體上，用來檢測細(xì)胞間相互影響或相互作用。 (4) (4)組織芯片組織芯片(tissue chip)(tissue chip)：是將組織切片等按照：是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上，用來進(jìn)行免疫組織化學(xué)等組織特定的方式固定在載體上，用來進(jìn)行免疫組織化學(xué)等組織內(nèi)成分差異研究。內(nèi)成分差異研究。 (5) (5)芯片實(shí)驗(yàn)室芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab on chip)(Lab on chip)：用于生命物質(zhì)的分：用于生命物質(zhì)的分離、檢測的微型化芯片?，F(xiàn)在，已經(jīng)有不少的研究人員試離、檢測的微型化芯片。現(xiàn)在，已經(jīng)有不少的研究人員試圖將整個

12、生化檢測分析過程縮微到芯片上，形成所謂的圖將整個生化檢測分析過程縮微到芯片上，形成所謂的“芯片實(shí)驗(yàn)室芯片實(shí)驗(yàn)室”(Lab on chip(Lab on chip）。）。LOGO生物芯片技術(shù)的概念及分類生物芯片技術(shù)的概念及分類u 國外概況國外概況 生物芯片的設(shè)想最早起始于生物芯片的設(shè)想最早起始于8080年代中期，年代中期，9090年代美年代美國國AffymetrixAffymetrix公司實(shí)現(xiàn)了公司實(shí)現(xiàn)了DNADNA探針分子的高密度集成，即將探針分子的高密度集成，即將特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一塊特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一塊玻璃、硅等固體片基上，作為核酸

13、信息的載體，通過與樣玻璃、硅等固體片基上，作為核酸信息的載體，通過與樣品的雜交反應(yīng)獲取其核酸序列信息。生物芯片由于采用了品的雜交反應(yīng)獲取其核酸序列信息。生物芯片由于采用了微電子學(xué)的并行處理和高密度集成的概念，因此具有高效微電子學(xué)的并行處理和高密度集成的概念，因此具有高效、高信息量等突出優(yōu)點(diǎn)。、高信息量等突出優(yōu)點(diǎn)。LOGO生物芯片技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r生物芯片技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩ru 國內(nèi)概況國內(nèi)概況 中國生物芯片研究始于中國生物芯片研究始于19971998年間，在此年間，在此之前生物芯片技術(shù)在中國還是空白。盡管起步較晚，但是之前生物芯片技術(shù)在中國還是空白。盡管起步較晚，但是中國生物芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)

14、了從無到有的階中國生物芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了從無到有的階段性突破，并逐步發(fā)展壯大。截止到段性突破，并逐步發(fā)展壯大。截止到2006年，中國生物芯年，中國生物芯片的產(chǎn)值已達(dá)到片的產(chǎn)值已達(dá)到2億多元，生物芯片研究已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入億多元，生物芯片研究已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入應(yīng)用階段。據(jù)有關(guān)資料表明，在市場銷售方面，應(yīng)用階段。據(jù)有關(guān)資料表明，在市場銷售方面，2004年國年國內(nèi)市場分額為內(nèi)市場分額為2億元，約占全球市場的億元，約占全球市場的2%左右。其中主要左右。其中主要由由863計(jì)劃支持的幾家國內(nèi)企業(yè)出售的生物芯片以及提供計(jì)劃支持的幾家國內(nèi)企業(yè)出售的生物芯片以及提供的相關(guān)服務(wù)累計(jì)銷售收入約的相關(guān)服務(wù)累計(jì)

15、銷售收入約1.1億元人民幣，所有代理國外億元人民幣，所有代理國外產(chǎn)品及服務(wù)總計(jì)為產(chǎn)品及服務(wù)總計(jì)為9000萬。萬。LOGO生物芯片技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向生物芯片技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向u 生物芯片技術(shù)存在的問題生物芯片技術(shù)存在的問題 盡管生物芯片技術(shù)目前得到了很大的支持與發(fā)展，盡管生物芯片技術(shù)目前得到了很大的支持與發(fā)展，但是在實(shí)際的研究、操作、生產(chǎn)過程中仍然存在著問題但是在實(shí)際的研究、操作、生產(chǎn)過程中仍然存在著問題 ： 生物芯片的重復(fù)利用：生物芯片技術(shù)是現(xiàn)代的前沿生物芯片的重復(fù)利用：生物芯片技術(shù)是現(xiàn)代的前沿科學(xué)，針對性強(qiáng)?？茖W(xué)，針對性強(qiáng)。 生物芯片的多重用途：如果將生物芯片更多更廣泛生物芯片的

16、多重用途：如果將生物芯片更多更廣泛的應(yīng)用到實(shí)踐生活，幫助人類切實(shí)的解決問題。的應(yīng)用到實(shí)踐生活，幫助人類切實(shí)的解決問題。 統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：目前國際上沒有一個統(tǒng)一、規(guī)范統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：目前國際上沒有一個統(tǒng)一、規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。 降低檢測生物芯片的儀器的價格：生物芯片技術(shù)是降低檢測生物芯片的儀器的價格：生物芯片技術(shù)是一項(xiàng)高端的科學(xué)技術(shù)，目前多數(shù)在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，投入到生一項(xiàng)高端的科學(xué)技術(shù)，目前多數(shù)在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，投入到生產(chǎn)中得為少數(shù)，價格昂貴。產(chǎn)中得為少數(shù)，價格昂貴。LOGO生物芯片技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向生物芯片技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向?qū)τ谥袊镄酒I(yè)來講。關(guān)鍵問題有對于中國生物芯

17、片工業(yè)來講。關(guān)鍵問題有3 3個：個： (1)(1)制作技術(shù)：芯片制作技術(shù)原理并不復(fù)雜，就制制作技術(shù)：芯片制作技術(shù)原理并不復(fù)雜，就制作涉及的每項(xiàng)技術(shù)而言，中國已具有實(shí)際能力，中國發(fā)展作涉及的每項(xiàng)技術(shù)而言，中國已具有實(shí)際能力，中國發(fā)展生物芯片的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)各種相關(guān)技術(shù)的整合集成。生物芯片的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)各種相關(guān)技術(shù)的整合集成。 (2) (2)基因、蛋白質(zhì)等前沿研究：除去制作技術(shù)外，基因、蛋白質(zhì)等前沿研究：除去制作技術(shù)外，關(guān)鍵就是芯片上放置的基因和蛋白質(zhì)等物質(zhì)了。關(guān)鍵就是芯片上放置的基因和蛋白質(zhì)等物質(zhì)了。 (3) (3)專利和產(chǎn)權(quán)：以生物芯片技術(shù)為核心的各相關(guān)專利和產(chǎn)權(quán)：以生物芯片技術(shù)為核心的各相

18、關(guān)產(chǎn)業(yè)正在全球崛起，一個不容忽視的問題就是專利和產(chǎn)權(quán)產(chǎn)業(yè)正在全球崛起，一個不容忽視的問題就是專利和產(chǎn)權(quán)的問題。的問題。 LOGO生物芯片技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向生物芯片技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向u 生物芯片技術(shù)的發(fā)展方向、生物芯片技術(shù)的發(fā)展方向、 技術(shù)進(jìn)展與市場動態(tài)技術(shù)進(jìn)展與市場動態(tài), ,生物芯片是一個新興的科學(xué)生物芯片是一個新興的科學(xué)領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景?，F(xiàn)在生物芯片主要向以下幾領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景。現(xiàn)在生物芯片主要向以下幾個方向發(fā)展。個方向發(fā)展。 一是產(chǎn)業(yè)化。對于現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)相對成熟的生物一是產(chǎn)業(yè)化。對于現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)相對成熟的生物芯片，芯片， 如基因芯片，產(chǎn)業(yè)化是發(fā)揮生物芯片作用的最

19、好途如基因芯片，產(chǎn)業(yè)化是發(fā)揮生物芯片作用的最好途徑。徑。 二是微型化。由于微加工技術(shù)，生物芯片的尺寸二是微型化。由于微加工技術(shù)，生物芯片的尺寸范圍已經(jīng)從微米尺寸向納米尺寸發(fā)展。范圍已經(jīng)從微米尺寸向納米尺寸發(fā)展。 三是集成化。對生物芯片研究人員來說最終的研三是集成化。對生物芯片研究人員來說最終的研究目標(biāo)是對分析的全過程實(shí)現(xiàn)全集成，究目標(biāo)是對分析的全過程實(shí)現(xiàn)全集成， 即制造微型全分析即制造微型全分析系統(tǒng)或微芯片實(shí)驗(yàn)室，在芯片上實(shí)現(xiàn)生化檢測的全部功能系統(tǒng)或微芯片實(shí)驗(yàn)室，在芯片上實(shí)現(xiàn)生化檢測的全部功能。 四是信息化。生物芯片可以檢測到的信息量是傳四是信息化。生物芯片可以檢測到的信息量是傳統(tǒng)檢測技術(shù)無可比擬的，統(tǒng)